重建古代历史并非易事。问问古生物学家就知道了：无论他们挖掘出多少恐龙骨骼或尼安德特人头骨，他们仍然只能讲述地球生命在数百万甚至数千年前是怎样的故事的一小部分。
这使得过去半个世纪以来，宇宙学家（我很乐意将自己也算在内）重建了整个宇宙的历史，一直回溯到 137 亿年前点燃它的宇宙大爆炸后的几秒钟。这不仅仅是粗略的重建。我们确切地知道婴儿时期的宇宙是由什么组成的，以及它在那些最早的时刻看起来是什么样子。
这是相当了不起的侦探工作，但我们仍然不满意。现在，人们正努力回溯得更远，到大爆炸后极短的一段时间。这将帮助我们解决关于我们在宇宙中位置的最深刻的问题：这一切是如何开始的？我们的宇宙是唯一的吗？如果不是，为什么是这个宇宙而不是其他宇宙？
远古的光辉
研究宇宙的过去面临的挑战与研究遥远的地球相似：随着时间的推移，事物会发生变化。对于生物来说，血肉会腐烂，骨骼会变成化石。对于宇宙中的事物来说，许多来自大爆炸的粒子——如电子、质子和中子——已经在恒星的核心中被转化了。理解过去的诀窍在于找到在漫长的时间跨度内基本保持完好的文物。在这方面，宇宙学家比古生物学家幸运得多，因为宇宙拥有许多数亿年来身份一直未曾改变的粒子。
这些遗迹中最显眼的是光粒子，即光子。当我们从哈勃太空望远镜看到一个令人惊叹的星系的图像时，我们实际上是在看历史的一张快照。如果那个星系距离我们 200 万光年，那么我们看到的就是它 200 万年前的样子，因为光需要这么长时间才能穿越广阔的真空空间，不受干扰地到达我们这里。在过去的几年里，哈勃望远镜让我们看到了婴儿时期星系的样子，它们在大爆炸后仅仅 5 亿年就形成了，这使得宇宙学家能够了解新生宇宙的原材料以多快的速度聚集成恒星，然后是星系，再然后是星系团。
最有价值的光子甚至更古老，可以追溯到大爆炸后 38 万年。在那之前，宇宙是一片不透明的迷雾，温度和密度极高，光子无法走得很远就会与其他粒子碰撞并改变方向。但随后宇宙冷却到足以让电子与原子核结合形成稳定的原子。由此产生的气体——几乎全是氢和氦——是透明的，终于允许光子在太空中自由穿梭。
许多这些光子自那时起就一直不受干扰地传播，1964 年，其中一些光子落到了贝尔实验室位于新泽西的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊设置的无线电天线上。他们无意中发现了宇宙微波背景辐射，这是大爆炸的余辉。
此后，像普朗克和威尔金森微波各向异性探测器这样的卫星绘制了这些光子的地图，提供了对 38 万年前宇宙的绝佳视图。通过研究宇宙微波背景辐射温度的细微波动，宇宙学家确定了宇宙的总能量，以及它的形态是如何随时间变化的。物质（包括普通原子和称为暗物质的看不见的东西）曾经主导着宇宙，但今天它只占宇宙总物质的四分之一。其余的是一种奇怪的、反引力的物质，被称为暗能量。
探测核炼狱
宇宙微波背景辐射是一个强大的工具，但宇宙学家还可以利用更古老的遗迹，这些遗迹能够穿透不透明的、阻碍光子的迷雾，将我们带回宇宙历史的最初几秒钟。这些遗迹是原子核，是在大爆炸的原始火焰中锻造出来的。
1948 年，乔治·华盛顿大学的研究生拉尔夫·阿尔弗和他的导师、物理学家乔治·伽莫夫理论上认为，在最初的几分钟里，宇宙非常炽热和致密，以至于它就像一个核聚变反应堆，将原始的质子和中子汤烹饪成更重的原子核：氘或“重氢”（一个质子和一个中子），氦（两个质子和两个中子），以及锂（三个质子和四个中子）。他们的理论，被称为大爆炸核合成，包含了详细预测，关于在大约三分钟的核反应中每种元素会产生多少。
令人惊奇的是，我们可以通过寻找今天仍然存在的原始氘、氦和锂来检验大爆炸核合成理论。就像古生物学家在偏远的洞穴和干涸的裂谷中寻找化石一样，宇宙学家也确定了宇宙中相对未受侵扰的部分，那里的原子核自早期以来基本未受干扰。重要的目标是像I Zwicky 18这样的矮星系，那里的恒星直到最近才被点燃，留下了该星系的大部分物质完好无损。氘、氦和锂原子核各自以独特的方式吸收和发射光，这使得科学家能够将望远镜指向 I Zwicky 18 并非常准确地确定古代原子核的丰度。这些元素的观测含量正是阿尔弗和伽莫夫的理论所预测的。
想想这意味着什么：就在我们身处地球，宇宙学家将我们的理解推溯到 137 亿年前，即宇宙开始后几秒钟。我们利用这种理解来预测当前宇宙的情况——而且我们是对的。我们可能不确定明天是否会下雨，但我们确切地知道质子和中子在大爆炸的核炼狱中是如何像弹力球一样碰撞的。这无疑将成为人类智力最令人印象深刻的成就之一。
然而，宇宙学家们仍想做得更好。目标是发现比大爆炸核合成更早的遗迹。目前还不可能做到这一点，但有一个有希望的候选者：暗物质，即构成星系的密集但看不见的物质。
遗迹还是无用的 WIMP？
起初，暗物质可能看起来是一个奇怪的选择。我们从未直接探测到它，也不知道它是由什么组成的。但我们知道它似乎与任何东西的相互作用都不大——这对宇宙古生物学家来说是一个巨大的优势。（缺乏相互作用是暗物质之所以是暗的原因：光对它没有影响。）根据领先的理论模型，暗物质在很早的时候就停止了与原始粒子汤的其余部分的相互作用，大约在大爆炸后万分之一秒，当时宇宙的温度超过了 100 万亿华氏度（今天平均为 -455°F）。
理论家们对暗物质的主要候选者是弱相互作用大质量粒子，或 WIMP。在深层地下设施的实验，例如明尼苏达州的苏丹矿井和意大利的格兰萨索实验室，正在仔细搜寻 WIMP。与此同时，物理学家们正试图在粒子加速器（如日内瓦附近的大型强子对撞机）上直接制造 WIMP。
如果这些努力成功，我们可以测量 WIMP 的性质，然后再次进行大爆炸核合成游戏，这次是关于暗物质。我们可以精确预测从早期宇宙中会剩下多少暗物质，并将其与我们今天测量到的量进行比较。然后有两种可能性：要么预测与现实相符，我们可以理所当然地声称理解宇宙在开始后极短的一瞬间所发生的一切；要么预测失败，我们必须发展新的、更深入的理论来解决这个错误。
即使暗物质能满足宇宙学家最大的梦想，我们的探索也远未结束。尽管回溯到大爆炸后万分之一秒似乎已经很了不起，但理论家们认为在那之前还发生了许多有趣的事情，尤其是宇宙的一次快速膨胀，称为暴胀，当然还有大爆炸本身——这相当于将进化追溯到生命的起源。
我们越接近那个点，我们就会越好地理解我们的宇宙是如何形成的，以及其他宇宙是否可能以同样的方式形成。无论如何，我们将不断接近理解时间的真正开端。
肖恩·卡罗尔是加州理工学院的理论物理学家，也是 DISCOVER 的博主。他的关于希格斯玻色子的书是
